BRPI1103714A2

BRPI1103714A2 - Aparelho para determinar a espessura variável de um revestimento disposto sobre um substrato e método para determinar a espessura de um revestimento em vários pontos ao longo da superfície de um sustrato

Info

Publication number: BRPI1103714A2
Application number: BRPI1103714-8A
Authority: BR
Inventors: Harry Israel Ringermacher; Bryon Edward Knight; Donald Robert Howard
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2013-01-22
Also published as: CN102445155A; EP2423638A2; US20120050537A1; US8692887B2; JP2012047739A

Abstract

APARELHO PARA DETERMINAR A ESPESSURA VARIÁVEL DE UM REVESTIMENTO DISPOSTO SOBRE UM SUBSTRATO E MÉTODO PARA DETERMINAR A ESPESSURA DE UM REVESTIMENTO EM VÁRIOS PONTOS AO LONGO DA SUPERFÍCIE DE UM SUBSTRATO. Trata-se de um aparelho para determinar urna espessura variável de um revestimento sobre uma superfície de um substrato com o uso, em parte, de uma fonte de lâmpada de flash, capaz de gerar um pulso térmico na superfície de revestimento, e um dispositivo de captura e processamento de imagem capaz de capturar quadros sequenciais de imagem da superficie de revestimento, ao passo que cada quadro de imagem sequencial corresponde a um tempo decorrido, e compreende uma matriz de pixel, e sendo que cada pixel da matriz corresponde a uma localizaçâo na superfície de revestimento. Também é provido um método de cálculo da espessura do revestimento.

Description

"APARELHO PARA DETERMINAR A ESPESSURA VARIAVEL DE UM REVESTIMENTO DISPOSTO SOBRE UM SUBSTRATO E MÉTODO PARA DETERMINAR A ESPESSURA DE UM REVESTIMENTO EM VÁRIOS PONTOS AO LONGO DA SUPERFÍCIE DE UM SUBSTRATO" Antecedentes Da Invenção

A presente invenção, de acordo com determinadas modalidades, refere-se a técnica de teste não destrutivo de termografia para determinar a espessura de um revestimento sobre a superfície de um objeto.

Em geral, a termografia transiente infravermelha (IR) é uma técnica de teste não destrutiva versátil que conta com medições temporais de transferência de calor através de um objeto para prover informações concernentes à estrutura e integridade do objeto. O fluxo de calor através de um objeto é substancialmente inafetado pela microestrutura e pelas orientações de cristal único do material do objeto, portanto, uma análise de termografia transiente infravermelha é essencialmente isenta das limitações que isso cria para as medições ultra-sônicas. Adicionalmente, a abordagem das análises de termografia transiente não é significativamente dificultada pelo tamanho, contorno ou formato do objeto sendo testado e, além disso, podem ser realizadas de dez a cem vezes mais rápido que os métodos ultra-sônicos mais convencionais, particularmente com o teste de objetivos que têm grandes áreas superficiais.

Convencionalmente, uma câmera de vídeo infravermelha (IR) foi usada para registrar e armazenar imagens térmicas sucessivas (quadros) de uma superfície do objeto após o aquecimento do mesmo. Cada imagem de vídeo é composta por um número fixo de pixels, que pode ser definido como uma matriz de pixel, através da qual cada pixel representa um pequeno elemento pictórico em uma matriz ou quadro de imagem. Cada pixel corresponde a uma área retangular, chamada de elemento de resolução, sobre a superfície do objeto sendo submetido à formação de imagem. Como a temperatura em cada elemento de resolução está diretamente relacionada à intensidade do pixel correspondente, a temperatura é alterada em cada elemento de resolução sobre a superfície do objeto pode ser analisada em termos de alterações no contraste de pixel.

Uma conhecida aplicação contemporânea de termografia transiente é a capacidade de determinar o tamanho e o local relativo (profundidade) das falhas nos compósitos sólidos não-metais; outra pedido da termografia transiente é para determinar a espessura de objetos de metal. Algumas tentativas foram feitas para medir a espessura do revestimento isolante também. Elas incluem técnicas de modelagem em que a espessura do revestimento isolante pode ser obtida mediante o ajuste dos dados do revestimento a um modelo e compará-los com padrões de espessura conhecidos. Infelizmente, essas técnicas também incluem uma medição ponto- por-ponto da espessura do revestimento, e portanto, levam tempo e são complexas do âmbito computacional, ou exigem a presença de um padrão de espessura do revestimento na imagem, que pode não ser possível, ou que seja inviável. Outro aspecto da medição de espessura para os revestimentos isolantes é de que, à medida que o revestimento envelhece, a condutividade térmica do revestimento altera e afeta a medição da espessura do revestimento.

O uso da condutividade térmica como um fator para a determinação da espessura de revestimento foi obtido. O método inclui obter uma resposta ao tempo-temperatura respectiva para um revestimento isolante e para um substrato, em que o revestimento isolante está disposto sobre o substrato. O método inclui, também, medir um valor de deltalog e medir um valor de ponto de inflexão a partir da resposta ao tempo-temperatura respectivo para o revestimento e para o substrato. Esses valores são descritos em mais detalhe com referência às equações mais adiante neste documento. Uma ou mais características de revestimento podem ser calculadas com o uso do valor de deltalog ou do valor de ponto de inflexão. Um valor de condutividade térmica e um valor de espessura de revestimento com o uso de ambos os valores característicos de revestimento são, então, possíveis.

Entretanto, o método é limitado visto que o cálculo é feito em um ponto específico ao longo da superfície da parte revestida. A capacidade de analisar as variações na espessura do revestimento ao longo de uma grande área superficial ou de partes geometricamente complexas é limitada. Portanto, existe uma necessidade por uma técnica que possa medir quantitativamente a espessura absoluta de um revestimento sobre uma área superficial grande ou variada.

Breve Descrição

De acordo com um aspecto da presente invenção, um aparelho é provido para determinar a espessura variável de um revestimento disposto sobre um substrato. O aparelho compreende uma fonte de lâmpada de flash capaz de gerar um pulso térmico na superfície de revestimento, um acionador óptico acoplado à fonte de lâmpada de flash e capaz de iniciar o acendimento da lâmpada de flash, um transistor acoplado à fonte de lâmpada de flash e capaz de arrefecimento bruscamente o pulso térmico, e um filtro reflexivo posicionado entre a fonte de lâmpada de flash e a superfície de revestimento capaz de evitar que um calor residual da iâmpada de flash aqueça a superfície de revestimento. O aparelho também compreende uma captura de imagem IR para capturar quadros seqüenciais de imagem da superfície de revestimento, embora cada quadro de imagem seqüencial corresponda a um tempo decorrido, e compreende uma matriz de pixel, e sendo que cada pixel da matriz corresponde a um local sobre a superfície de revestimento, e um processador para controlar as operações da lâmpada, receber os quadros de imagem da superfície de revestimento ao início do acendimento da lâmpada de flash e seqüencialmente daí em diante, e para calcular a espessura do revestimento em vários pontos ao longo do substrato que usa os dados recebidos.

De acordo com outro aspecto da presente técnica, um método para determinação da espessura de um revestimento em vários pontos ao longo da superfície de um substrato é provido. O método compreende gerar um pulso térmico de curta duração na superfície de revestimento com o uso de uma fonte de lâmpada de flash equipada com um filtro reflexivo para evitar que o calor residual da lâmpada de flash aqueça a superfície de revestimento, e capturar quadros seqüenciais de imagem da superfície de revestimento com o uso de um dispositivo de captura IR, visto que cada quadro de imagem seqüencial corresponde a um tempo decorrido e compreende um matriz de pixel, e sendo que cada pixel da matriz corresponde a um local sobre a superfície de revestimento. A espessura e a condutividade térmica do revestimento são, então, calculados a partir da geração independente de uma curva de resposta de tempo-temperatura para dois ou mais pixels da matriz de pixel.

Desenhos

Essas e outras características, aspectos, e vantagens da presente invenção serão mais bem entendidas quando a descrição detalhada a seguir for lida com referência aos desenhos em anexo em que caracteres similares representam partes similares por todos os desenhos, em que:

A figura 1 é uma representação diagramática de um sistema de termografia transiente infravermelha exemplificador para determinar e exibir a espessura e a condutividade térmica de um revestimento isolante, de acordo com um aspecto da presente invenção.

A figura 2 é um fluxograma que ilustra etapas exemplificadoras para um método de inspeção não destrutivo para avaliação da espessura e da condutividade térmica de um revestimento isolante, de acordo com um aspecto da presente invenção.

A figura 3 é um fluxograma que constitui ilustrar etapas exemplificadoras, que segue as etapas ilustradas na figura 2, de acordo com um aspecto da presente invenção.

A figura 4 é uma representação das variações de espessura do revestimento de um substrato; A é uma imagem de referência e B é a imagem do revestimento obtida com o uso do sistema da figura 1.

A figura 5 é outra representação gráfica simulada da resposta de ponto de inflexão do revestimento no local de pixel identificado na figura 4 como o ponto de coeficiente angular mínimo do derivado da curva de Iog (temp) em relação a de Iog (tempo).

Descrição Detalhada

A título de exemplo, a presente invenção refere-se a métodos de teste não destrutivos e a um aparelho para determinar e exibir a espessura atual e o valor de condutividade térmica de um revestimento ao longo da superfície de um objeto através do uso da termografia transiente infravermelha de alta-velocidade (IR). A resposta temporal da temperatura superficial seguindo um flash de superfície óptica e uma geração de pulso de calor conseqüente é analisada, e a espessura do revestimento é extraída. Um subproduto é a condutividade térmica do revestimento.

A figura 1 é uma representação diagramática de um aparelho 10 para determinar a espessura do revestimento e a condutividade térmica de um objeto 1. Mais especificamente, o aparelho exemplificador da figura 1 pode ser usado para determinar a espessura e a condutividade térmica de um revestimento 4 disposto sobre uma superfície do objeto com o uso da termografia IR transiente. O objeto pode ser uma peça fabricada incluindo, mas não se limitando a uma peça de aeronave ou de turbina. Em determinadas modalidades, a peça fabricada pode ser um aerofólio, nervura, ou um desenho de Iongarina em que a medição da espessura do revestimento é um controle de qualidade importante, e as medições precisas podem ser impedidas em razão das estruturas semelhantes a nervura ou da parede posterior espaçada de maneira próxima ou das estruturas internas. O revestimento 4, em um exemplo, é um revestimento de barreira térmica (TBC)1 e em outro exemplo, o revestimento 4 é um revestimento de barreira ambiental (EBC).

Conforme mostrado na figura 1, uma fonte de pulso de calor da lâmpada de flash 11 é usada para aquecer rapidamente a superfície do objeto sendo medido. Isso gera um pulso térmico na superfície de revestimento que se propaga no revestimento.

Uma disposição adequada para a fonte de pulso de calor da lâmpada de flash 11 seria, por exemplo, um conjunto de quatro ou oito lâmpadas de flash fotográficas com uma alta potência de saída e alta velocidade, cada uma capaz de uma saída de cerca de 4,8 quilo joules e tendo alimentadores individuais (como, por exemplo, lâmpadas de flash produzidas pela Speedotron, Corp. em Chicago, IL, E.U.A).

Visto que os metais têm uma taxa significativamente mais rápida de condução de calor com relação aos não-metais, os períodos de tempo característicos para o fluxo de calor em metais são muito mais rápidos que aqueles, por exemplo, de materiais compósitos ou de plástico. Consequentemente, na tentativa de adaptar as técnicas de termografia IR convencionais (limitadas normalmente a não-metais) a metais, um corte rápido no calor aplicado é necessário. A fim de obter isso, um filtro reflexivo de 3 a 5 micra 18 é usado entre as lâmpadas de flash 11 e o objeto de interesse 1 de modo a evitar a exposição do objeto a um calor residual à medida que a lâmpadas de flash resfriam após a exposição. Em determinadas modalidades, o filtro reflexivo pode ser integrado à lâmpada de flash como uma tampa de lente.

Na prática, um ou mais filtros pode ser usado (por exemplo, um por cada lâmpada de flash). Esses filtros atuam para evitar que a radiação de onda longa direta C gerada tipicamente a partir da "luminescência" de elementos metálicos superaquecidos nas lâmpadas de flash C saia das lâmpadas de flash e invada o alvo ou, de outro modo, reflita para a câmera de conjunto de plano focai 13. Essa radiação de luminescência primária das lâmpadas de flash 11 compete e pode interferir com as emissões IR de cadeia longa do objeto alvejado durante a captura de dados térmicos precoce, obscurecendo dessa maneira a radiação IR verdadeira gerada do alvo e reduzindo o contraste e a qualidade da última imagem. Dessa forma, o uso desses filtros especiais produz um pulso de calor suficientemente rápido para permitir que o tempo de percurso de calor mais curto no metal seja detectado.

Na modalidade exemplificadora representada na figura I, o filtro reflexivo 18 pode ser composto de Pyrex™, quartzo fundido, BK7™, B270™, ou outro material óptico que é transparente à luz visível e UV, e é revestido sobre o lado voltado para a lâmpada de flash com um revestimento reflexivo infravermelho para refletir toda a radiação na faixa de 3 a 5 micra para as lâmpadas de flash. Em determinada modalidade, filtros revestidos e de vidro óptico podem ser adquiridos ou fabricados especialmente por um fabricante de vidro óptico e de óptica científica como, por exemplo, Oriel em Stratford, CT.

As medições da temperatura superficial do objeto iluminado por pulso de calor 1 são adquiridas com o uso de um sistema de formação de imagens sensível a infravermelho (IR) que compreende uma câmera de conjunto de plano focai sensível a IR 13 como uma câmera de série SC disponível junto à FLIR (Boston, MA, EUA), componentes eletrônicos de controle 14, memória de dados de quadro 15, processador de computador/imagem de controle 16 e um monitor de exibição 17. A captura de dados térmicos é iniciada, de preferência, no momento de acendimento da lâmpada de flash mediante acionamento óptico ou por outros meios adequados. O acendimento da lâmpada flash é controlado por meio de componentes eletrônicos de controle 14 gerenciados pelo software de captura de quadro de vídeo convencional em execução no computador de sistema e no processador de imagem 16 como provido pela captura de quadro convencional e pelo software de controle de lâmpada de flash.

O arrefecimento brusco também é usado para controlar ativamente a duração do flash. Em determinadas modalidades, o arrefecimento brusco pode ser realizado com o uso de um transistor acoplado à lâmpada e controlado por um processador. O transistor pode estar incluído na eletrônica de controle da lâmpada 14 (figura 1). O transistor pode cortar a corrente da lâmpada de flash, após o acendimento em um período de tempo predefinido para produzir um curto pulso de luz. De preferência, a duração do pulso curto de luz é menor que 4 milissegundos e, com mais preferência, entre 2 e 3 milissegundos. O período de tempo de corte pode variar com base na eficiência da lâmpada e dos sistemas eletrônicos. O arrefecimento brusco provê um pulso curto de luz controlado, que se refere a um maior controle da resposta térmica do revestimento e, portanto, a precisão aumentada na captura dos dados através de toda a matriz de pixel.

O processador de computador/imagem de controle de sistema 16 é um computador digital de propósito geral especialmente programado que é capaz de controlar o equipamento periférico e as funções de comunicação em adição a uma exibição e processamento de imagem digital de acordo com o método da presente invenção. O procéssador de sistema 16 controla a eletrônica 14 para a câmera e a lâmpada, incluindo o arrefecimento brusco, e a memória dos dados de quadro para capturar um número predeterminado de quadros sucessivos de imagem térmica da superfície do objeto que são armazenados e registrados na memória 15 para uma análise futura.

Em determinadas modalidades, antes do início do processo de formação de imagens térmicas, a câmera de matriz IR 13 pode ser calibrada com o uso de uma calibragem de imagem dupla de "campo total". Em outras modalidades, qualquer técnica de calibragem que resulta na produção de uma uniformidade máxima do campo de imagem que seja importante para formação de imagens de alto contraste e para a obtenção de uma precisão térmica aprimorada pode ser usada.

Cada quadro de imagem capturada durante o processo de formação de imagens consiste em NxN pixels, sendo que cada pixel corresponde a um elemento de resolução sobre a superfície do objeto em que N é tipicamente 256, 512 ou 1024 dependendo da resolução e da precisão desejada. Cada pixel ocupa cerca de dois bytes de uma memória de armazenamento e pode ser representada, por exemplo, por um número binário de 12 bits ou maior. Os quadros de imagem armazenados são identificados seqüencialmente com valores de número de quadro elevados que, juntos, servem para prover um registro histórico da temperatura versus as características (T-t) de tempo de uma superfície frontal do objeto 1 durante um período predeterminado após serem atingidos pelo impulso de calor conferido pela lâmpada de flash 11. Em determinadas modalidades," o local do pixel sobre a superfície do objeto pode ser registrado ou localizado com o uso de um sistema de coordenada cartesiano bidimensional ou tridimensional.

Durante a avaliação de um objeto, após o processador 16 acionar o acendimento da lâmpada de flash(s) 11, os quadros de dados de imagem são capturados a partir da câmera 13, e a intensidade IR em cada elemento de resolução na imagem é registrada digitalmente e armazenada em uma memória de dados de quadro 15. A captura de dados continua sobre um número predeterminado de quadros seqüenciais de imagem que são suficientes para a captura de uma história T-t significativa por uma duração de pelo menos um "período de tempo característico" esperado para o material do objeto. O número total de quadros de imagem capturados pode variar dependendo da exatidão e da resolução da imagem desejada, e pode ser maior que milhares de quadros por segundo de captura de dados.

A memória de dados de quadro 15 pode ser uma memória digital convencional interna ao processador 16 ou qualquer dispositivo de armazenamento de dados de quadro de vídeo adequado acessível por um processador 16. A cada quadro de imagem térmica sucessivo capturado é atribuído um número de quadro crescente, Z, correspondendo à passagem do tempo real. A "pilha" de quadro de dados resultante é, então, analisada através de uma abordagem de análise de fluxo de calor unidimensional, conforme descrito acima. De acordo com essa abordagem, o método da presente invenção leva vantagem de uma propriedade de invariância térmica conhecida evidenciada na história de temperatura versus tempo (T-t) de cada pixel de imagem sobre quadros de imagem IR sucessivos C que conta com a identificação da localização de um "ponto de inflexão" ou tempo de "coeficiente angular de pico", isto é, o ponto no tempo de coeficiente angular máximo sobre a curva de dados T-t.

Agora com referência à figura 2, um diagrama de fluxo é

apresentado, em que o mesmo ilustra etapas de processamento exemplificadoras para conduzir a termografia IR transiente com o uso de técnicas de formação de imagens térmicas da presente invenção. Essas etapas podem ser implantadas, por exemplo, mediante a programação adequada do processador 16 (figura 1) com o uso de técnicas de programação convencionais conhecidas.

Inicialmente, conforme indicado no bloco 20, uma região de interesse sobre o objeto é identificada, por exemplo, a câmera IR é focalizada para capturar a região de interesse, e o operador do sistema seleciona ou insere informações que dizem respeito a parâmetros relevantes para examinar o objeto. Os parâmetros relevantes podem incluir, por exemplo, um coeficiente de difusividade térmica para o material. Em seguida, conforme indicado no bloco 20 na figura 2, o computador de controle do sistema instrui a eletrônica da lâmpada de flash a acender as lâmpadas de flash 11, arrefecer bruscamente as lâmpadas para produzirem um pulso curto de luz, e iniciar a captura de dados de quadro de imagem a partir da câmera IR de matriz de plano focai 13. A captura de dados prossegue sobre um número predeterminado de quadros seqüenciais de imagem e, então, conforme indicado no item 21, a seqüência de imagem, ou a pilha de IR é armazenada na memória de quadro 15 (mostrada na figura 1) após a identificação de cada quadro de imagem capturado com um número de quadro seqüencial, Z para criar uma pilha de imagem IR Conforme ilustrado na figura 3 na etapa 22, cada pilha IR registra

o valor de pixel em cada local. O valor de pixel extraído da mesma posição em cada imagem na pilha pode ser usado para desenvolver uma curva temporal de temperatura com base no número de quadro (curva TT) em que um conjunto de dados de curva T-t é identificado para cada pixel na imagem térmica que corresponde a cada local do elemento de resolução sobre a região de interesse sobre a superfície do objeto.

Em determinadas modalidades, uma curva Tt de desvio 23 é gerada onde o valor de desvio é zero. Nesse ponto, ajustes de desvio e escala (amplitude) opcionais 24 também podem ser feitos nessa etapa para ajudar a compensar quaisquer efeitos derrogatórios como, por exemplo, o efeito de ruído térmico.

Em determinadas modalidades, conforme indicado no item 24, uma suavização temporal da função de Gauss dos dados da curva de contraste pode, também, ser realizada. Em uma modalidade preferencial, uma "janela temporal" usada no algoritmo de suavização de Gauss é feita para variar como uma função de tempo tornando-o proporcional ao número de quadro de imagem, Z, correspondendo aos dados de contraste. Essencialmente, essa "janela" de suavização controla a largura total da gaussiana a meia altura (isto é, a largura "2-σ"). O uso de uma suavização de número de quadro de largura variável, conforme descrito, é mais vantajoso que a suavização de Gauss tradicional porque ela tende a compensar os efeitos de difusão de calor em profundidades crescentes dentro do material. De preferência, para essa etapa, a largura da janela de suavização a um ponto de dados selecionado é feita proporcional à raiz quadrada do número de quadro de imagem nesse ponto. Em adição à suavização temporal gaussiana com número de quadro de largura variável descrita, inúmeros "filtros de formação de imagens" implantados por software podem, também, ser aplicados aos dados de curva de contraste nesse estágio, incluindo a suavização espacial, supressão de ruído inicial e final, supressão de contraste negativo e limiarização de contraste.

Em seguida, conforme indicado no item 25, a curva de temperatura versus tempo é convertida em uma curva de Iog (temperatura) versus Iog (tempo). O derivado do Iog (temp) que dize respeito ao Iog (tempo) pode, então, ser calculado 26 e mostrado na equação (12). Isso permite que o tempo no ponto mínimo da curva derivada (ou coeficiente angular máximo sobre a curva de dados T-t), chamado de tempo do ponto de inflexão, seja determinado 27.

Em determinadas outras modalidades, o derivado matemático da curva de contraste, indicativo do ponto de inflexão, é determinado. É bem conhecido que o ponto do coeficiente ahgular máximo sobre uma curva pode ser determinado mediante o uso de um algoritmo derivado de 3 pontos consecutivos convencional em que três pontos de dados consecutivos igualmente espaçados ao longo da curva são amostrados e usados para calcular o coeficiente angular da curva no segundo ponto de dados (meio). De acordo com a presente invenção, três pontos podem ser usados para determinar o derivado da curva de contraste, mas a separação do primeiro e terceiro pontos derivados de amostra (isto é, a largura do intervalo de base derivada) está ligada ao tempo real de evolução da imagem através do número de quadro de imagem.Especificamente, a largura do intervalo de base derivada em qualquer ponto selecionado ao longo da curva de contraste é feita proporcional à raiz quadrada do número de quadro de imagem IR, Z. Dessa maneira, as características da relação sinal-ruído (S/N)

são maximizadas mesmo no meio dos altos níveis de ruído. Esse aprimoramento na razão S/N resulta da "amostragem" sobre um intervalo maior e, dessa forma, detecta a maior alteração de sinal ao invés da alteração diferencial obtida tradicionalmente com uma diferenciação de 3 pontos na largura fixa. Visto que uma razão de S/N máxima é obtida quando a separação de ponto de amostra é igual à largura gaussiana total, a razão de S/N máxima possível é sempre obtida mediante o uso da abordagem de largura proporcional ao número de quadros da presente invenção.

A fim de determinar o valor de espessura para o revestimento a partir dos dados medidos conforme obtidos a partir do sistema 10, determinados cálculos são realizados pelo processador 16 com o uso do tempo do ponto de inflexão cónforme determinado na etapa 27 em combinação com a difusívidade do revestimento, conforme definido pelo coeficiente de reflexão R bem como pela densidade, p, e pelo calor específico, cc, do revestimento. Embora a densidade e o calor específico do revestimento não

variem significativamente mediante o envelhecimento, o produto desses dois valores pode ser tomado para ser uma constante conforme mostrado pela equação (1): pcc = constante (1)

Conforme explicado com referência à figura 1, a ondas térmicas penetram o revestimento e são refletidas para fora da interface de revestimento/substrato, com um valor de refletividade ou coeficiente de reflexão, R dado pela equação (2):

i? = ^-^ (2)

Ec +Es

em que Ec e Es são, respectivamente, a "efusividade" do

revestimento e do substrato dada por:

Ec = Jk^c Es = JK^s (3)

em que Kc é a condutividade térmica para o revestimento e Ks é a condutividade térmica para o substrato. Em um exemplo, as unidades para medição incluem g/cm3 para densidade (p), cal/g-°C para calor específico c e cal/s-cm-°C para condutividade térmica.

A resposta de temperatura-tempo do sistema de revestimento/substrato na superfície do revestimento, seguindo o flash pode ser expressa matematicamente como:

í OO „2 Tc λ

m=

1 + 2YjRnCn ' T]/2c(t) (4)

V "=1 /

em que Tv2c é uma resposta de "meio espaço" do revestimento ao pulso de flash, dada pela equação (6), tc é o "tempo característico" do revestimento de espessura L e da difusividade térmica ac dada por:

τ}

xe (5) a,.

A função de meio espaço, mostrada nas equações (6) e (7) é uma resposta de temperatura "sobre raiz-tempo" a um impulso térmico na superfície de um "meio espaço" infinito de revestimento ou substrato. A função de resposta conforme mostrado pela equação (4) se move do meio espaço de revestimento mostrado pela equação (6) em t = 0 até o meio espaço do substrato mostrado pela equação (7) em t =00. ^ 1.12841

τχο-> WO = -7Γ-Γ t^0 (6)

2 EcJt

^ 1.1284/ H0-»W0= r t-> 00 (7)

Isso pode ser mostrado mediante a obtenção da doma infinita na equação (4) nos limites como t->0 e t-> ¥ com o uso da definição de R a partir da equação (2).

Em um exemplo, a diferença de Iog próxima de t=O é definida como "deltalog":

/o\

deltalog = IogfTrevestimento (t=0)] - log[Tsuòsírafo(t=0)]· A partir das equações (6) e (7), a razão da efusividade de

revestimento em relação à efusividade do substrato em termos de deltalog:

Ec _ γ Q-dellalog ^

Es

O valor de refletividade pode, também, ser definido a partir de

R J-Wtahs

1 + 1 Qdellalog '

O ponto de inflexão, em tempo, pode ser derivado teoreticamente mediante a diferenciação da curva T-t mostrada pela equação (4), e definindo o resultado em zero.

Então, uma equação (12) dada abaixo é resolvida para encontrar o ponto no tempo do coeficiente angular máximo (tempo de inflexão, "inflexão t") mediante o uso de uma variável "q". Pode-se verificar que "q" é definida como:

q = ou τ = qt . (11)

f inflexão

inflexão

em que rcéo tempo característico de revestimento. Uma equação para resolver "q" é dada por:

deltalog: 10

15

20

η=1

Σ*"

n2e-n«

η=\

■2 q

YjR" η2 e^

/7=1

l + 2£i?V2

π=1

-1 = 0

(12)

Sendo assim, uma entrada para a equação (12) é um valor para R, que é obtido a partir da equação (10). Conforme mostrado adicionalmente na figura 3, R pode ser determinado a partir das propriedades de material do revestimento e do substrato, etapa 28, e calculado de acordo com a equação 10. Em determinadas modalidades, R pode, também, ser inserido antes dos dados experimentais obtidos a partir da mesma combinação de revestimento E substrato e do pulso de flash. O valor de R pode, então, ser inserido para resolver q, etapa 29. Tendo encontrado a variável q a partir da equação (12), e o ponto de inflexão ou tempo de inflexão "inflexão t" da curva T-t experimentalmente, o tempo de inflexão pode, então, ser usado na equação (11) para determinar tempo característico de revestimentotc.

A difusividade térmica para o revestimento, ac, é definida como: K,.

a, =

pcc

(13)

A condutividade térmica Kc é encontrada a partir da definição da

efusividade do revestimento na equação (3):

K =

PCc

(14)

embora pcc seja conhecido a partir de (1), e Ec a partir da equação (9), pode-se determinar ^conforme dado pela equação (13).

Finalmente, etapa 30, a espessura do revestimento, L, então, é determinada a partir da equação (5) que denota a espessura atual do objeto no local do elemento de resolução que corresponde ao pixel analisado conforme mostrado na equação 15:

' (15)

l=4

O valor de espessura, L, pode ser armazenado, etapa 31, na memória do processador 16. O próximo pixel é, então, selecionado, conforme indicado no item 31, e as etapas acima são reiteradas para cada pixel que compreende a imagem IR.

O processo é repetido para os outros pixels selecionados. Em determinadas modalidades, os valores armazenados podem ser usados para construir uma imagem em escala de cinza ou mapeada por cor da região de interesse sobre a superfície do objeto para exibir ou imprimir cada tonalidade cinza ou colorida que corresponde a uma espessura em particular. Em adição às etapas apresentadas acima, a entrada e a seleção de vários valores de parâmetro, como uma constante de difusividade, ponto e faixa de partida de análise de dados, faixa de tamanho de janela de suavização temporal, e faixa de mapeamento de cor são automatizados por precisão e consistência através da programação convencional adequada do computador de controle do sistema. É notável que, embora esse método seja "absoluto" exigindo apenas as propriedades térmicas dos materiais envolvidos e as medições descritas, os padrões de revestimento referência não são necessários.

Mediante a condução da análise de termografia transiente com o uso das etapas supracitadas para a captura e análise de dados térmicos em conjunto com o aparelho supracitado de acordo com a presente invenção, os valores de espessura do revestimento podem ser obtidos com precisão mesmo entre a parede posterior espaçada de maneira próxima ou as estruturas internas que podem formar uma parte do objeto testado, por exemplo, as estruturas semelhantes a nervura encontradas freqüentemente em aerofólios de turbina (conforme representado nas figuras 1 e 2), considerando que o uso de métodos ultra-sônicos ou térmicos tradicionais semelhantes aos das estruturas de parede posterior posicionadas de maneira próxima resultariam normalmente em dados distorcidos, ou exigiriam um teste destrutivo para medições precisas. As figuras 4 e 5 mostram resultados da análise de termografia com o uso do aparelho descrito na figura 1. Um talão de cerâmica foi revestido por aspersão com EBC para a obtenção de um revestimento que tem uma espessura aproximada de 0,02 polegadas. O talão revestido foi, então, submetido a um pulso de flash de curta duração. A figura 4A é a imagem de referência gerada com o uso do processo, enquanto a figura 4B mostra uma variação na espessura do revestimento indicada por uma cor de tonalidade cinza diferente na imagem gerada. A tonalidade cinza corresponde a uma cor ou matiz similar na chave de espessura de escala de bar exibida no lado direito da imagem. Conforme mostrado, a delaminação ocorreu no quadrante do lado esquerdo inferior; que é, freqüentemente, uma avaliação crítica no teste de controle de qualidade. Um ponto de pixel individual no talão (figura 4A) foi selecionado, mostrado como um quadrado realçado à direita do centro, e a espessura do revestimento nessa área foi calculada para ser 0,0212 polegadas. O ponto de inflexão do pixel selecionado é mostrado na figura 5 como o ponto de coeficiente angular mínimo do derivado do Iog (temp) com relação à curva de Iog (tempo). Com o uso desse método, os valores e variações de espessura absoluta do revestimento são obtidos precisamente por toda a parte.

Embora apenas determinadas características da invenção tenham

sido ilustradas e descritas no presente documento, muitas modificações e alterações ocorrerão aos versados > na técnica. Portanto, deve ser compreendido que as reivindicações em anexo se destinam a cobrir todas essas modificações e alterações que se encaixam no verdadeiro espírito da invenção.

Claims

1. APARELHO PARA DETERMINAR A ESPESSURA VARIÁVEL DE UM REVESTIMENTO (4) DISPOSTO SOBRE UM SUBSTRATO (1), sendo que o aparelho compreende: uma fonte de lâmpada de flash (11) capaz de gerar um pulso térmico na superfície de revestimento; um acionador óptico acoplado à fonte de lâmpada de flash e capaz de iniciar o acendimento da lâmpada de flash; um transistor acoplado à fonte de lâmpada de flash e capaz de arrefecer bruscamente o pulso térmico um filtro reflexivo (18) posicionado entre a fonte de lâmpada de flash (11) e a superfície de revestimento (4) capaz de evitar que o calor residual da lâmpada de flash aqueça a superfície de revestimento; um dispositivo de captura de imagem IR (13) posicionado para capturar quadros seqüenciais de imagem da superfície de revestimento, visto que cada quadro de imagem seqüencial corresponde a um tempo decorrido e compreende uma matriz de pixel, e sendo que cada pixel da matriz corresponde a um local sobre a superfície de revestimento; um processador (16) acoplado ao dispositivo de captura de imagem IR capaz de; controlar a operação do acionador e transistor óptico; receber os quadros de imagem da superfície de revestimento no acendimento da lâmpada de flash e seqüencialmente depois; e determinar a espessura do revestimento em vários pontos ao longo do substrato (1) com o uso, em parte, dos quadros seqüenciais de imagem para calcular uma resposta de tempo-temperatura.

2. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, em que o filtro reflexivo é revestido diretamente sobre a fonte de lâmpada de flash, e é capaz de refletir radiação na faixa de 3 a 5 micra.

3. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, em que o processador é configurado para calcular um valor do ponto de inflexão e o deltalog da resposta de tempo-temperatura.

4. MÉTODO PARA DETERMINAR A ESPESSURA DE UM REVESTIMENTO EM VÁRIOS PONTOS AO LONGO DA SUPERFÍCIE DE UM SUBSTRATO, que compreende: gerar um pulso térmico de curta duração na superfície de revestimento com o uso de uma fonte de lâmpada de flash equipada com um filtro reflexivo para evitar que o calor residual da lâmpada de flash aqueça a superfície de revestimento; capturar quadros seqüenciais de imagem da superfície de revestimento com o uso de um dispositivo de captura IR, visto que cada quadro de imagem seqüencial corresponde a um tempo decorrido e compreende uma matriz de pixel, e sendo que cada pixel da matriz corresponde a um local sobre a superfície de revestimento; processar os quadros seqüenciais de imagem com o uso de um processador para armazenar os quadros seqüenciais de imagem; determinar a espessura e a condutividade térmica do revestimento ao longo do substrato compreendendo os quadros seqüenciais de imagem para calcular uma curva de resposta de tempo-têmperatura independentemente para dois ou mais pixels da matriz de pixel.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, em que o tempo de coeficiente angular máximo sobre a curva de resposta de tempo- temperatura é definido como um tempo do ponto de inflexão (inflexão t), e sendo que a equação da dita curva de resposta de tempo-temperatura é definida como: <formula>formula see original document page 21</formula> em que Ίυ2ο é uma resposta de meio-espaço do revestimento em relação ao pulso de flash definido como <formula>formula see original document page 22</formula> R é um coeficiente de reflexão definido como <formula>formula see original document page 22</formula> em que Ec é a efusividade de revestimento e Es é a efusividade de substrato definida como; <formula>formula see original document page 22</formula> em que K é condutividade térmica, pé densidade e c é calor específico .

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, em que o tempo do ponto de inflexão (inflexão t) é medido experimentalmente a partir da curva de resposta de tempo-temperatura, e R é determinado a partir das propriedades de material do revestimento e do substrato.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, em que determinar a variação na espessura do revestimento compreende calcular um valor para L em dois ou mais pixels da matriz de pixel, sendo que L é definido como: <formula>formula see original document page 22</formula> Tc é um tempo característico do revestimento definido como q é definido como <formula>formula see original document page 22</formula>

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, em que uma suavização temporal da função de Gauss dos dados de quadro de imagem seqüencial é usada para gerar a curva de resposta de tempo-temperatura.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, em que os filtros de formação de imagens são aplicados aos dados do quadro de imagem seqüencial, sendo que os ditos filtros de formação de imagens compreendem uma suavização espacial, supressão de ruído inicial e final, supressão de contraste negativo, manipulação do limiar de contraste, e combinações dos mesmos.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, que compreende, ainda, exibir uma imagem codificada em escala de cinza ou codificada por cor da espessura do revestimento ao longo do substrato.